DE4319848C2 - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbe­ griff Patentanspruch 1.
Bekannt ist es, Metall-Keramik-Substrate unter Anwendung des sogenannten Direct-Bonding-Verfahrens herzustellen, welches bei Metallisierungen aus Kupfer auch als Direct-Copper-Bonding-Verfahren oder -Technik bezeichnet wird. Bei diesem beispielsweise in der DE 23 19 854 C2 beschriebenen Verfahren wird die Verbindung zwischen der Keramikschicht und einer die Metallisierung bildenden Metallfolie oder -Platine dadurch hergestellt, daß die Folie an ihren Oberflächen eine Schicht oder einen Überzug (Auf­ schmelzschicht) aus einer chemischen Verbindung aus dem Metall und einem reaktiven Gas, bevorzugt Sauerstoff auf­ weist, und daß nach dem Auflegen der Metallfolie auf eine Oberflächenseite der Keramikschicht diese Anordnung aus Keramik und Metall auf eine Prozeßtemperatur erhitzt wird, die oberhalb der eutektischen Temperatur der chemischen Verbindung zwischen Metall und reaktiven Gas, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt, so daß an der Außenfläche der Metallfolie (an der Aufschmelzschicht) eine flüssige Phase entsteht, über die dann die Verbindung mit der Keramik erfolgt.
Bekannt ist es auch, mit dieser Direct-Bonding-Technik Metallelemente miteinander zu verbinden (US-PS 37 44 120).
Metall-Keramik-Substrate werden hauptsächlich in der elek­ trischen Schaltungstechnik verwendet. Problematisch ist die Herstellung solcher Substrate nach der Direct-Bonding-Technik dann, wenn beispielsweise für elektrische Schaltkreise mit hohen Leistungen Metallisierungen mit sehr großer Schicht­ dicke, d. h. mit Schichtdicken größer als 0,4 mm erforderlich sind. Bei diesen Schichtdicken ist eine einwandfreie groß­ flächige und vor allem gleichmäßige Verbindung der Metall­ folie mit der Keramikschicht bei Anwendung der Direct-Bon­ ding-Technik nicht mehr gewährleistet.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren (DE-OS 26 33 869) der gattungsgemäßen Art, bei dem auf eine Keramikschicht als Stapel zwei Kupferfolien oder Kupferschichten aufgelegt werden, von denen wenigstens eine mit einer Oxydschicht versehen ist, und zwar derart, daß sich diese Oxydschicht zwischen den beiden Kupferschichten befindet. Zum Verbinden werden die Kupferschichten und die Keramikschichten derart erhitzt, daß sich zunächst zwischen den Kupferschichten eine Schmelze bildet und diese Schmelze schließlich auch durch die untere Kupferschicht hindurch die Grenzfläche zwischen der unteren Kupferschicht und der Keramikschicht erreicht. Dieses bekannte Verfahren sieht somit vor, daß zumindest die untere Kupferschicht in einem Teilbereich und (bei einer flächigen homogenen Verbindung zwischen ihr und der Keramikschicht) vollständig aufschmilzt, was hinsichtlich der Dicke der erhaltenen Metallisierung reproduzierbare Ergebnisse zumin­ dest erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die Herstellung von Keramik-Metall-Substraten mit Schichtdicken für die Metallisierung größer als 0,4 mm zuverlässig und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar ge­ stattet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Metallschichten jeweils an beiden Oberflächenseiten mit der chemischen Verbindung aus dem Metall und dem reaktiven Gas (Aufschmelz­ schicht) versehen, so daß bei dem Direct-Bonding-Verfahren diese Metallschichten nur jeweils an ihren dünnen Aufschmelz­ schichten aufschmelzen und ein Aufschmelzen der Metall­ schichten im Bereich ihrer gesamten Dicke nicht erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit sehr genaue und reproduzierbare Ergebnisse hinsichtlich der Dicke der endgültigen Metallisierung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin durch die Verwendung der dünnen Metall schichten und durch Herstellung der Metallisierung in einem Arbeitsgang gewährleistet, daß sich diese Metallschichten nach dem Erhitzen auf die Prozeß­ temperatur dicht und großflächig aneinander sowie die unterste, d. h. der Keramikschicht benachbarten Metallschicht sich auch dicht und großflächig an die betreffende Ober­ flächenseite der Keramikschicht anschmiegen, so daß die Metallschichten nicht nur eine homogene Metallisierung mit der angestrebten großen Schichtdichte bilden, sondern auch eine homogene, großflächige Verbindung zwischen dieser Metalli­ sierung und der Keramikschicht hergestellt ist.
Die Dicke der voroxidierten Metallschichten ist etwa 0,3 mm oder kleiner. Bevorzugt beträgt die Dicke der Metallschichten entweder 0,3 oder 0,2 mm.
Bei einer Herstellung einer Metallisierung aus Kupfer sind dann die verwendeten Metallschichten Kupferschichten.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur, die in vergrößerter Teildarstellung und im Schnitt ein nach der Erfindung hergestelltes Metall-Keramik-Substrat wiedergibt, näher erläutert.
In der Fig. 1 eine Keramikschicht, die beispielsweise von einer Aluminiumoxid-Keramik gebildet ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist auf der einen Oberflächenseite der Keramikschicht 1 eine Metallisierung 2 als Kupferschicht aufgebracht, die eine Dicke D aufweist, welche bei der dargestellten Ausführungsform etwa 0,6 mm beträgt. Das die Keramikschicht 1 und die Metallisierung 2 aufweisende Substrat ist unter Anwendung des Direct-Bonding-Verfahren hergestellt. Um mit diesem Verfahren trotz der erheblichen Dicke D der Metallisierung 2 eine einwandfreie großflächige Verbindung der Metallisierung 2 mit der Keramikschicht 1 zu erreichen, ist die Metallisierung 2 mehrlagig aus Metallschichten 2′, nämlich dünnen Kupferfolien oder Kupferschichten hergestellt. Die dünnen Metallschichten 2′ die jeweils nur eine Dicke d, die gleich einem Bruchteil der Dicke D der Metallisierung 2 ist und bei der darge­ stellten Ausführungsform etwa 0,2 mm ist, sind an beiden Oberflächenseiten jeweils voroxidiert. Die Dicke der Keramik­ schicht 1 ist mit D′ bezeichnet.
Zum Herstellen des Substrates wird auf die Oberflächenseite der Keramikschicht 1 ein Stapel aus mehreren dünnen, voroxi­ dierten Metallschichten 2′ aufgelegt, d. h. bei der darge­ stellten Ausführungsform ein Stapel, der drei Metallschichten 2′ aufweist. Anschließend wird diese aus der Keramikschicht 1 und den Metallschichten 2′ gebildete Anordnung in einem Ofen in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre mit 5 ppm O₂-Gehalt auf eine Prozeß­ temperatur erhitzt, die oberhalb der eutektischen Temperatur des Systems Kupfer-Sauerstoff, aber unterhalb der Schmelz­ temperatur des Kupfers der Metallschichten 2′ ist, und auf dieser Prozeßtemperatur, die beispielsweise 1072°C beträgt, für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise für eine Zeitdauer von 2 Minuten gehalten. Durch die geringe Dicke d der Metallschichten 2′ wird erreicht, daß sich die beim Erhitzen auf die Prozeßtemperatur weicher werdenden Metall­ schichten 2′ dicht aneinander sowie auch dicht an die Oberseite der Keramikschicht 1 anschmiegen, so daß durch das Aufschmelzen des Systems Kupfer-Sauerstoff an den Übergängen 3 zwischen den Metallschichten 2′ sowie am Übergang 4 zwischen der untersten Metallschicht 2′ und der Oberseite der Keramikschicht 1 nach dem Abkühlen eine flächige, gleichför­ mige Verbindung der Metallschichten 2′ zu der Metallisierung 2 sowie auch eine flächige, gleichförmige Verbindung dieser Metallisierung 2 mit der Keramikschicht 1 ergeben.
Das hergestellte, die Keramikschicht 1 und die Metallisierung 2 aufweisende Substrat kann dann üblicherweise behandelt werden, beispielsweise für die Herstellung eines Mehrfach- Substrates strukturiert werden usw.
Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß die Metallschichten 2′ eine Dicke d von 0,2 mm aufweisen. Es versteht sich, daß auch andere Dicken für diese Metallschichten 2′ möglich sind. Allerdings sollte die Dicke d nicht größer als etwa 0,3 mm sein, um während des Direct-Bonding-Verfahrens ein zuver­ lässiges Anschmiegen der einzelnen Metallschichten 2′ aneinander sowie auch ein zuverlässiges Anschmiegen der untersten Metallschicht 2′ an die betreffende Oberflächen­ seite der Keramikschicht 1 zu gewährleisten. Weiterhin läßt sich mit dem beschriebenen Verfahren selbstverständlich auch ein Substrat herstellen, bei dem die Dicke D der Metallisier­ ung 2 wesentlich größer als 0,6 mm ist, wobei in diesem Fall dann mehr als 3 Metallschichten 2′ zur Anwendung kommen.
Weiterhin kann das Substrat auch derart hergestellt werden, daß beide Oberflächenseiten der Keramikschicht 1 mit jeweils einer Metallisierung versehen sind, wobei wenigstens eine Metallisierung die besonders große Dicke D aufweist.
Gemeinsam ist den möglichen Verfahren, daß die Metallisierung 2 mit der besonders großen Dicke D in einem einzigen Ver­ fahrensschritt aus einer Vielzahl der voroxidierten Metall­ schichten 2′ hergestellt wird.
Als weitere Metallisierungen eignen sich z. B. Nickel und Silber, wobei im Falle einer Metallisierung aus Nickel diese an ihren Oberflächenseiten mit einer chemischen Verbindung aus Nickel und Phosphor (eutektische Temperatur ca. 880°C) und im Falle einer Metallisierung aus Silber diese an ihren Oberflächen mit einer chemischen Verbindung aus Silber und Schwefel (eutektische Temperatur ca. 906°C) versehen ist.
Bezugszeichenliste
1 Keramikschicht
2 Metallisierung
2′ Metallschicht
3, 4 Übergang
d Dicke der Metallschicht
D Dicke der Metallisierung
D′ Dicke der Keramikschicht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates bestehend aus wenigstens einer Keramikschicht (1) und aus wenigstens einer an einer Oberflächenseite der Keramik­ schicht vorgesehenen und dort flächig mit der Keramik­ schicht verbundenen Metallisierung, die mit dem Direct- Bonding-Verfahren und einer von einem Stapel von wenigstens zwei Metallschichten (2′) gebildeten Metall­ auflage mit Oberflächen, welche aus einer chemischen Verbindung des Metalls mit einem reaktiven Gas bestehen, durch Erhitzen der Metallauflage und der Keramikschicht auf eine Prozeßtemperatur hergestellt wird, bei der eine eutektische Verbindung zwischen der Metallauflage und der Keramikschicht erhalten wird, wobei die Metallschichten (2′) eine Dicke (d) besitzen, die einem Teil der Dicke (D) der Metallisierung (2) entspricht und die Anzahl und Dicke der die Metallauflage bildenden Metallschichten (2′) so gewählt wird, daß der von diesen gebildete Stapel der gewünschten Dicke (D) der Metallisierung (2) ent­ spricht, und wobei in einem einzigen Arbeitsgang sämt­ liche Metallschichten der Metallauflage miteinander sowie diese Metallauflage mit der Keramikschicht verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen einer Metallisierung mit eine Dicke größer 0,4 mm Metall­ schichten (2′) verwendet werden, die jeweils an ihren beiden Oberflächenseiten mit der chemischen Verbindung des Metalls mit dem reaktiven Gas versehen wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallschichten (2′) voroxidierte Teilschichten verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallschichten (2′) Kupferschichtenverwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß Metallschichten (2′) mit einer Dicke von etwa 0,3 mm oder kleiner verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Metallschichten (2′) mit einer Dicke von etwa 0,2 mm verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Oberflächenseiten der wenigstens einen Keramikschicht (1) eine Metallisierung aufgebracht wird, von denen zumindest die Metallisierung an einer Oberflächenseite unter Verwendung einer von mehreren stapelförmig übereinander angeordneten Metall­ schichten gebildeten Metallauflage hergestellt wird.
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